《机械能及其转化》
教学目的
1、知道什么是机械能及机械能的单位。
2、从生活现象中了解动能和势能的转化。
教具
滚摆。
教学过程
1、复习：动能和势能及其与什么因素有关
2、机械能：让学生分析静止在桌面上的钢球是否具有能量?(具有重力势能)继而让学生分析在桌面上滚动的钢球具有什么能?通过分析得知滚动的钢球既有动能，又有势能。
动能和势能统称为机械能。一个物体既有动能，又有势能，那么动能和势能的和就是它的总机械能。
能量的单位：从前面的讨论，我们可以认识到能量是跟做功有密切联系的概念，能量反映了物体具有做功的本领，能量的大小可以用能够做功的多少来衡量。因此，动能、势能和机械能的单位跟功的单位相同，也是焦耳。
3、通过以下问题的讨论，进一步帮助学生理解能量、动能、势能、机械能等概念及机械能的单位。
(1)高山上有一块大石头，稳稳地待在那里，它有没有能量?有什么能量?
(2)列举几个物体具有动能、重力势能、弹性势能的事例。
(3)在空中飞行的球，它具有的重力势能是5焦，具有的动能是4焦，这只球具有的总机械能是多少?
(4)在同一高度铅球和棒球具有的重力势能不相等，若使它们的重力势能相等，可采取哪些方法?
(5)从斜槽上端滚下的小球，它有没有重力势能?在它下滚的过程中重力势能的大小有没有变化?为什么?在滚下的过程中有没有动能?它的动能有没有变化?为什么?
动能和重力势能可以相互转化。
4、想想议议
(1)演示皮球的下落和跳起（将皮球涂黑使它落在涂白的水平木板上，观察木块上的黑色圆斑），并提出问题，让学生讨论回答：
为什么木块上是圆斑，而不是黑点？（答：因为皮球发生了形变）
发生弹性形变的皮球具有的弹性势能是哪里来的？（答：由动能转化来的）
皮球反跳有向上的速度，即具有动能，这个动能是哪里来的：（答：弹性势能转化来的）
最后提出：皮球从一定高度落下，反跳到最高点，说明这一过程能的转化情况？
（点名要学习好的学生回答）
(2)演示皮球反跳高度一次比一次低，再演示滚摆高度也是一次比一次低．最后都要停下来，问：这是什么原因呢？
（引导学生回答：物体运动要克服摩擦和空气阻力做功，要消耗物体的机械能。最后机械能完全被用来克服摩擦和空气阻力做功消耗掉了，所以物体最后要停下来）
教师点明：消耗掉的机械能并未消失，而是转化为其他形式的能了。这个问题以后将学到。
(3)物体能做功才具有能，举高的物体处于静止状态，怎能做功？既然不能做功，为什么说它具有重力势能？
（引导学生回答：举高的物体落下来具有动能，动能可以做功，但动能是由重力势能转化来的，故我们说势能可以做功，实际上是势能可以转化为动能而做功）
(4)钢球落在钢板上，也会反跳起来，反跳时的动能是怎样转变来的？教师指出：钢球和钢板相碰，也要发生弹性形变，只是这个形变较难觉察。事实上，任何坚硬的物体相碰时，都要发生形变。
然后让学生回答。
课件27张PPT。第4节
机械能及其转化体验:动能和势能的转化
活动:玩悠悠球时,使悠悠球上下来回运动。悠悠球上升时,动能和重力势能如何变化?悠悠球下降时,动能和重力势能如何变化?【参考答案】
活动:动能减小,重力势能增大 动能增大,重力势能减小1.机械能及其转化:
(1)机械能: 的统称。
(2)转化: 和 可以相互转化。
(3)机械能守恒:如果只有______________________________
相互转化,机械能的总和 。
2.水能和风能的利用:
(1)特点:水能和风能具有大量的 。
(2)利用: 。【参考答案】
1.(1)动能和势能 (2)动能 势能 (3)动能和势能 不变
2.(1)机械能 (2)发电探究 动能和势能的相互转化
结合“体验”中的活动,思考以下问题:
1.运动的悠悠球有速度,故具有 能,它处于高空,故具有 能,我们把动能和势能统称为 能。
提示:运动的物体具有动能,被举高的物体具有重力势能,一个物体可以既有动能,又有势能,这两种能量加在一起,就得到它的总机械能。
参考答案:动 势 机械2.由分析滚摆、小球摆动的实验,思考以下问题:(1)滚摆在上升过程中,动能 ,势能 ;滚摆在下降过程中,动能 ,势能 。
(2)小球在从A到B的过程中动能 ,势能 ,由B到C的过程中动能 ,势能 。
由以上可知动能和重力势能可以 。提示:(1)滚摆在最高点时速度为零,动能为零,相对高度最大,重力势能最大;到达最低点时速度最大,动能最大,相对高度最小,重力势能最小,重力势能转化为动能;从最低点到达最高点的过程中,动能逐渐转化为重力势能。
(2)小球从A点下落到B点,重力势能减小,动能增大,重力势能逐渐转化为动能,到达B点时动能最大,从B点上升到C点的过程中,动能逐渐减小,重力势能逐渐增加,动能逐渐转化为重力势能。
参考答案:(1)减小 增大 增大 减小
(2)增大 减小 减小 增大 相互转化3.小球可以每次都上升到原来的最高处吗?为什么?
提示:滚摆、小球在运动的过程中都会受到摩擦力的作用,重力势能和动能在相互转化的过程中机械能不断减小,所以不会上升到原来的最高位置。
参考答案:不可以 在能量转化过程中,一部分机械能转化为内能,总的机械能减少。4.什么情况下机械能才能守恒?
提示:在动能和势能相互转化的过程中,如果存在摩擦力,就会有一部分机械能转化为其他形式的能,或者存在外力的情况下,有其他形式的能转化为机械能,机械能总量减少或增加,机械能不守恒;如果只有动能和势能相互转化,则机械能的总和保持不变,机械能守恒。
参考答案:只有动能和势能相互转化,则机械能的总和保持不变,机械能守恒。【微点拨】
(1)一个物体具有机械能,有三种情况:
①只有动能,没有势能;②只有势能,没有动能;
③既有动能又有势能。
(2)机械能守恒是有条件的,若要考虑摩擦阻力等,机械能的总量就会变小。
(3)在分析动能和重力势能间的转化时,一定要看清“匀速”“加速”“减速”“升高”“降低”等字眼。【知识拓展】游乐场上的翻滚过山车
游乐场上的翻滚过山车是一种惊险有趣的游戏。过山车在凌空架起的环形轨道上滑行(如图甲所示),所以也叫单环滑车。轨道最高处距地面32 m,最低处几乎贴地。圆环直径15 m。整个滑车由6节小滑车组成,每节小滑车可乘坐4人,每个座位上配有安全带。从滑车启动到停止仅1分钟时间,就在这短暂的1分钟内使人体验到宇宙飞行的乐趣。这项游戏是根据力学中的机械能守恒以及圆周运动的知识设计的。人们坐上滑车后,由操纵台控制,首先沿缓坡轨道牵引到32米高处,随后牵引钩和滑车自动脱离,这时滑车就沿轨道从32米高处滑下。当滑车到达圆环顶部时,人会头朝下,看上去相当危险,担心人和车会不会掉下来呀?下面我们用圆周运动和机械能守恒的知识来分析这种游戏的物理原理。首先我们分析一下当滑车运动到环底和环顶时车中的人的受力情况(如图乙所示)。图中mg为人所受的重力;N下和N上分别为滑车在底部和顶部时对人的支持力(为使问题简化,可不考虑摩擦及空气阻力)。我们知道,滑车沿圆环滑动,人也在做圆周运动。这时人做圆周运动所需的向心力由mg和N提供。用v下表示人在圆环底部的速度,v上表示人在圆环顶部的速度,R表示环的半径,则因为不考虑摩擦及空气阻力的作用,所以滑车在轨道上各点的机械能守恒。用h表示从高处到环底的高度,根据机械能守恒定律,对底部和顶部而言存在下列关系:把h=32 m,R=7.5 m代入(3)、(4)式得:v下=25.3 m/s;v上=
18.2 m/s(实际上由于摩擦及空气阻力的影响,底部和顶部的车速要略小于理论上的计算值)。
由(1)式可知:N下=mg+
就是说,在环的底部时,滑车对人的支持力比人的体重增大了,这时人对滑车椅子的压力自然也比体重大,好像人的体重增加了。由于底部的速度较大,所以人的体重要增加好多倍。使人紧压在椅子上不能动弹。由(2)式可知,在环的顶部,当重力mg等于向心力时,就可以使人
沿圆环做圆周运动,不掉下来。由mg= ,可得v上= =
8.7 m/s,这就是说,滑车要安全通过顶点,有8.7 m/s的速度就
足够了。而从前面的计算知道,滑车通过顶点时的速度是v上=
18.2 m/s,比8.7 m/s大得多,所以滑车和人一定能安全地通过
顶点。绝对安全,不必担心。减小增大增大减小不变考点1 动能和势能的相互转化
【示范题1】如图所示,足球以初速度沿着凹凸不平的草地从a运动到d。下列分析正确的是 ( )A.在b、d两点动能相等
B.在a、d两点机械能相等
C.从b到c的过程机械能减少
D.从c到d的过程重力势能减少【解题指南】(1)从a到c的过程中速度如何变化?c到d的速度又是如何变化?
(2)在运动过程中草地对足球有摩擦力吗?
(3)在哪点的速度最大?
提示:(1)逐渐增大。逐渐减小。
(2)有摩擦力。(3)c点。【精讲精析】选C。本题考查动能和势能的转化与守恒。足球在b点时,足球有一定的速度,足球具有一定的动能,动能不为零;足球在d点时,足球速度为零,足球动能为零,A不正确。由于草地对足球有摩擦力,因此从a到d的过程,一部分机械能转化成内能,机械能减少,B不正确。足球从b到c的过程中,足球和草地之间存在摩擦力,克服摩擦做功,机械能转化为内能,机械能不断减少,C正确。足球从c到d的过程中,足球质量不变,高度增大,重力势能不断增大,D不正确。故选C。【通关金钥匙】分析动能和势能相互转化的步骤
(1)在机械能转化过程中,减小的能量转化为增加的能量。
(2)只有动能和势能之间可以相互转化,势能和势能必须通过动能转化,不可以直接转化。【变式训练】如图所示是蹦极运动的简化示意图,弹性绳一端固定在O点,另一端系住运动员,运动员从O点自由下落,到A点处弹性绳自然伸直,B点是运动员受到的重力与弹性绳对运动员拉力相等的点,C点是蹦极运动员到达的最低点(忽略空气阻力)。下列说法正确的是 ( )A.从O点到C点运动员速度一直减小
B.从O点到C点运动员的机械能一直在增大
C.从O点到C点运动员的机械能一直在减小
D.从O点到A点运动员的机械能不变【解析】选D。本题考查动能和势能的转化与守恒。根据题意可知,从O点到B点的过程中,重力大于弹性绳对运动员的拉力,因此速度越来越大;从B点到C点的过程中,弹性绳对运动员拉力大于重力,运动员的速度开始减小,到达C点时,速度为零;由于不计空气阻力,因此从O点到A点运动员的机械能守恒,故选D。
